汶川地震水電工程擋水建筑物震損特點分析

汶川地震水電工程擋水建筑物震損特點分析

0震情分析和計算2008年5月12日14:28，中國四川省望川縣發(fā)生了8.0級地震，最大深度達到，最大余震為5月25日四川省慶川縣的6.4級地震。汶川地震的發(fā)震構(gòu)造是龍門山構(gòu)造帶中央斷裂帶,在擠壓應(yīng)力作用下,由南西向北東逆沖運動,其構(gòu)成巖石抵抗破壞的能力和斷裂的強度特別大,積累的巨大能量在瞬間釋放形成強烈地震。該破裂面從震中汶川縣開始向北偏東49°方向傳播,地下斷裂面破裂長度約300km,破裂過程持續(xù)時間近120s,震源深度大于10km。地震發(fā)生后,為盡快詳細掌握震情并進行總結(jié)分析,2008年6月25日水電水利規(guī)劃設(shè)計總院(以下簡稱“水電總院”)受國家能源局委托對汶川地震災(zāi)區(qū)的大中型水電工程進行了震損調(diào)查。汶川地震災(zāi)區(qū)水電開發(fā)程度較高,工程眾多,據(jù)不完全統(tǒng)計,災(zāi)區(qū)共有水利水電工程約2360座,其中95%以上為小型水利水電工程。較大的水電工程主要集中在岷江上游、涪江中上游及白龍江下游,水電總院對其中的22個已建大中型水電工程進行了震損調(diào)查和初步分析工作。位于汶川地震Ⅺ度影響區(qū)的有映秀灣、太平驛和漁子溪3座水電站;耿達水電站處于Ⅹ度影響區(qū);紫坪鋪水電站處于Ⅸ~Ⅹ度影響區(qū);位于Ⅸ度影響區(qū)的水電站有福堂、姜射壩、銅鐘、草坡、通口和碧口;Ⅷ度影響區(qū)的水電站有金龍?zhí)?、天龍湖、沙牌、桑坪、薛城、紅葉二級、木座、自一里和寶珠寺;水牛家水電站位于Ⅶ度影響區(qū);竹格多水電站處于Ⅵ度影響區(qū)。汶川地震災(zāi)區(qū)大中型水電站擋水建筑物主要有3類5種壩型,本文選擇其中有代表性的沙牌、寶珠寺、紫坪鋪、碧口和映秀灣等水電站進行分析。1壩體橫縫疫情沙牌壩為碾壓混凝土拱壩,也是地震災(zāi)區(qū)唯一的拱壩,最大壩高130m,為3級建筑物。大壩抗震設(shè)計烈度7度,位于地震Ⅷ度影響區(qū),距離震中心36km。地震發(fā)生前,大壩運行水位在正常蓄水位1866m附近,基本處于滿庫狀態(tài)。主要震損現(xiàn)象:壩體主要建筑物完好,僅附屬建筑物出現(xiàn)裂縫;兩岸壩體橫縫左岸未有張開跡象,靠近右岸壩體上部有張開跡象,但未貫通;大壩低高程廊道及深井泵房被淹;上壩交通因山體塌方而中斷。震損情況分析:(1)大壩經(jīng)受住了超設(shè)計烈度1度地震的考驗,且震損輕微,表明在高水位下拱壩具有較強的超載能力和抗震能力,即橫縫部位仍然有一定的安全儲備。(2)從現(xiàn)場目觀檢查的情況看,大壩主體建筑物結(jié)構(gòu)完好,壩肩巖體未發(fā)現(xiàn)位移,拱座抗力體穩(wěn)定,壩基未發(fā)現(xiàn)明顯滲漏。壩區(qū)的震害主要來自于局部山體塌滑造成的地質(zhì)次生災(zāi)害。(3)沙牌拱壩中心線近N45°E,壩址位于主震點北西向,拱壩中心線與主震方向近于垂直,右岸為地震動輸入方向,因而右岸壩體受到地震的動影響更強一些,這與實際情況相符。(4)地震發(fā)生后,壩區(qū)交通及電力中斷,大壩安全監(jiān)測儀器無法取得數(shù)據(jù),待廠區(qū)恢復(fù)供電后,需盡快開展監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集與分析,并恢復(fù)大壩外觀變形監(jiān)測,采用物探手段對大壩的誘導(dǎo)縫、橫縫、防滲帷幕、基礎(chǔ)等重要部位進行進一步的檢查與評價。2壩體結(jié)構(gòu)及壩體應(yīng)力分析寶珠寺壩為混凝土重力壩,壩高132m,工程抗震設(shè)計烈度7度,壩址位于地震Ⅷ度影響區(qū),地震發(fā)生時水庫在低水位運行。主要的震損現(xiàn)象如下:(1)大壩主體完好,僅壩頂附屬結(jié)構(gòu)有破壞,其結(jié)構(gòu)縫有擠壓或拉開現(xiàn)象。(2)滲漏總量有一定程度的增加;基礎(chǔ)灌漿廊道有部分排水孔震后排水量有所增加,并有渾水現(xiàn)象,但不久便基本消失。(3)地震前、后觀測資料對比分析表明,壩體上下游方向的水平位移總體規(guī)律為向上游;河床壩段最大剖面位移量最大,為2.1mm;壩體橫河向水平變位總體規(guī)律為兩岸向河床方向變位,左岸為0.25mm,右岸為0.71mm;壩體相向變位的規(guī)律與部分橫縫受擠壓現(xiàn)象相符。壩體上部震損較明顯。震損情況分析:(1)大壩經(jīng)受住了超抗震設(shè)計烈度的考驗。上下游壩面均未出現(xiàn)裂縫、剝落和隆起等震損現(xiàn)象,下游折坡點與壩面結(jié)合處的斷面突變部位未發(fā)現(xiàn)裂縫,壩體混凝土完好。表明百米級的混凝土重力壩具有較強的抗震性能。(2)壩頂及其欄桿震損較重,主要是大壩受到“鞭梢效應(yīng)”的影響。壩體橫縫擠壓或拉開表明壩體結(jié)構(gòu)縫是抗震的薄弱部位。(3)壩基部位震損表現(xiàn)為滲漏量有所增加,但沿壩基面無明顯的滲漏現(xiàn)象;地震對壩基瞬間產(chǎn)生較大的動態(tài)滲透壓力,對大壩基礎(chǔ)產(chǎn)生了一定影響,使得壩基滲流狀態(tài)也有所改變。(4)大壩震損較輕與以下幾個因素有關(guān):地震時庫水位接近死水位;大壩受順河向的地震作用相對較小,主要受到垂直向地震波的影響;各壩段橫縫設(shè)垂直向梯形鍵槽,在550m高程以下進行了接縫灌漿;廠壩采用聯(lián)合作用結(jié)構(gòu)。(5)經(jīng)初步計算表明,目前大壩抗滑穩(wěn)定和壩體應(yīng)力滿足規(guī)范要求,大壩是安全的。但還需按新的地震基本烈度和抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進一步復(fù)核大壩的安全性。3大壩滲流場主要情況紫坪鋪壩最大壩高156m,為本次震損調(diào)查中最高的壩,抗震設(shè)計烈度8度,位于地震Ⅸ~Ⅹ度影響區(qū),壩址距震中約17km。地震時庫水位為826m,接近于死水位817m。主要震損現(xiàn)象:(1)總體震損輕微,混凝土面板出現(xiàn)開裂并有部分脫空。(2)防浪墻結(jié)構(gòu)縫擠壓致裂或拉開,下游部分欄桿倒塌。(3)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,大壩在地震中的變形總體表現(xiàn)為沉降和水平位移。壩體內(nèi)部水管式沉降儀觀測到的最大沉降量為812.5mm,約為最大壩高的0.52%;壩頂中段路面存在約150~200mm的脫空現(xiàn)象;防浪墻頂絕對高程最大降低1.02m,約占最大壩高的0.62%;壩頂中部防浪墻最大沉降值為760mm,約占最大壩高的0.48%;沉降量均未超過最大壩高的1%。(4)壩體水平位移總體指向下游,左右岸壩體位移均指向河床。未發(fā)現(xiàn)壩基覆蓋層振動液化現(xiàn)象。監(jiān)測資料和壩面取芯成果表明,三期面板與墊層料間發(fā)生較大范圍脫空。部分測點處周邊縫的變形值已超出其允許值。(5)大壩滲漏量較震前有所增加,但總量不大,未超過20L/s。對比國內(nèi)外同類工程,大壩總體滲漏量尚屬較低水平。震損情況分析:(1)紫坪鋪壩經(jīng)受了超設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)1~2度的強震考驗,蓄水功能沒有受到大的影響,僅產(chǎn)生了一定的局部震損,總體表現(xiàn)為震損輕微。表明紫坪鋪壩料的選擇及分區(qū)合理,大壩設(shè)計和施工質(zhì)量良好,同時也表明紫坪鋪壩具有良好的抗震性能。目前運行狀況下大壩整體安全。(2)從近壩頂靠近左、右岸及壩體中部的3個加速度測點記錄的數(shù)據(jù)分析,地震動輸入以橫河向為主,順河向為輔,利于壩體抗震。地震動先從右岸輸入,右岸震損應(yīng)重于左岸,這與實際情況相符:右岸壩頂防浪墻為擠壓狀態(tài),左岸壩頂防浪墻為拉開狀態(tài);壩頂最大錯臺位于右岸與溢洪道相交部位;右側(cè)面板的震損也重于左側(cè)面板。(3)在強震情況下,大壩震損沿壩高總體表現(xiàn)為“上部震損較重,下部震損輕微”、“水面高程以上震損較重,水面高程以下震損輕微”。由于壩頂較長,震損有不均勻性,地震波對大壩的震損表現(xiàn)出明顯的“行波效應(yīng)”。(4)從上游面板及止水接縫的震損情況來看,止水結(jié)構(gòu)縫和施工分縫是面板堆石壩的抗震薄弱部位,混凝土面板本身并未出現(xiàn)明顯折斷現(xiàn)象。主要表現(xiàn)為:部分垂直縫出現(xiàn)錯臺,附近的混凝土擠壓產(chǎn)生破損、裂縫;二期和三期面板間施工縫錯位及部分周邊縫錯位。盡管上述接縫部位震損較重,但壩下游滲漏量并未明顯增加,表明按已有工程經(jīng)驗設(shè)計的面板及止水接縫具有較強的抗震能力。(5)監(jiān)測資料表明,大壩在地震中的變形總體表現(xiàn)為“震縮”現(xiàn)象。由于余震和大壩應(yīng)力重分布,大壩變形逐步趨于穩(wěn)定?？拷鼔雾敻浇臐{砌石護坡較為完好,說明強震作用下下游壩坡是穩(wěn)定的。(6)從滲漏量及壩基面滲透壓力平均升高等監(jiān)測結(jié)果來看,震后滲漏量增加的原因可能與水下面板擠壓破壞有關(guān),也可能是地震中基巖裂隙滲水或防滲帷幕震裂導(dǎo)致滲漏量增加?？傮w來看,面板所承擔(dān)的防滲功能并沒有明顯破壞,隨著泥沙淤積和輔助防滲體自愈功能的發(fā)揮,分析認為滲漏量會逐漸穩(wěn)定或減少。4大壩的震損情況碧口壩為壤土心墻土石混合壩,最大壩高101.8m,大壩抗震設(shè)計烈度為7.5度,壩址位于地震Ⅸ度影響區(qū)邊緣。地震時庫水位為691.41m,較正常蓄水位低約13m,較死水位高約6m。主要震損現(xiàn)象:(1)大壩整體震損輕微,僅部分防浪墻的橫縫被擠壓或拉開,壩頂下游側(cè)防浪墻倒塌。(2)大壩上下游坡面整體平整,僅局部出現(xiàn)斷裂、裂縫和隆起。(3)根據(jù)大壩變形觀測資料分析,壩頂和上游坡水平變位向上游,下游坡水平變位向下游。河床中部和壩體上部沉降較大,最大沉降量為24.2cm;心墻沉降變化比大壩表面沉降變化小。未發(fā)現(xiàn)壩基覆蓋層振動液化及過大變形現(xiàn)象。(4)大壩兩岸壩頂灌漿平硐或灌漿廊道內(nèi)的混凝土噴層或襯砌均完好,無明顯變形和裂縫。震損情況分析如下:(1)大壩在超抗震設(shè)計烈度1~2度的強震作用下,除壩頂、壩坡及兩岸壩肩有一定的震損、局部變形略大外,壩體總體表現(xiàn)為震損輕微,表明碧口心墻壩抗震性能良好。(2)地震斷裂帶走向近垂直于壩軸線,對大壩抗震較為不利。分析認為,右岸為地震動輸入方向,大壩沿壩軸線方向的震損分布沒有明顯的規(guī)律性。相比之下,右岸震損稍重于左岸,可能是“行波效應(yīng)”影響的結(jié)果。大壩震損沿壩高總體表現(xiàn)為上部震損較重、下部震損輕微,與“鞭梢效應(yīng)”的影響規(guī)律一致。(3)壩頂防浪墻的底部出現(xiàn)貫通兩岸的沉降和拉開裂縫。主要原因是碧口壩頂防浪墻為整體式,體形寬大,底寬達7.6m,且置于粘土心墻和壩殼頂部,地震時由于地震慣性力的作用,導(dǎo)致較大的殘余變形和永久裂縫的產(chǎn)生。(4)大壩上下游坡面基本無沉陷、隆起和滲漏,坡面整體平整,混凝土護坡、框格梁護坡、下游踏步、排水溝等局部出現(xiàn)斷裂、裂縫和隆起變形,這些變形主要是由于大壩長期變形引起的,有的地震前已經(jīng)存在,地震可能加劇了這些變形,但對大壩的安全運行影響不大。(5)由于混凝土防浪墻、防滲心墻以及壩殼材料特性和地震動反應(yīng)特性差別較大,因此導(dǎo)致防浪墻和防滲心墻間可能產(chǎn)生脫空縫。對這種整體式壩頂防浪墻與其底部的壩頂心墻及壩殼料之間的脫空情況,均需待條件具備時作進一步檢查。(6)大壩與兩岸接觸處是心墻壩防滲的薄弱部位。碧口大壩采用梯形混凝土齒墻的連接形式,齒墻插入心墻2.0m左右,地震時壩前水位相對較低(低于壩頂18.6m),水位逐漸升高后將能檢驗其防滲效果。5閘壩結(jié)構(gòu)及震損情況分析閘壩以映秀灣、太平驛和漁子溪3座位于地震Ⅺ度影響區(qū)的壩為代表。其中映秀灣壩左側(cè)為土石副壩,其余為混凝土重力壩,河床部位設(shè)置泄洪沖沙閘。震前,各閘壩都處于正常蓄水位或正常運行狀態(tài),映秀灣壩有一孔閘門局部開啟下泄生態(tài)流量,其他泄洪和沖沙閘門均處于關(guān)閉狀態(tài)。閘壩地震影響烈度均超過抗震設(shè)計烈度4度。主要震損現(xiàn)象:(1)閘壩主體結(jié)構(gòu)基本完好,部分工程閘壩的閘墩出現(xiàn)裂縫。(2)兩岸壩肩或上下游引渠等被掩埋。(3)閘基基本無不均勻沉降;閘前鋪蓋、束水墻和攔沙坎結(jié)構(gòu)基本完好,僅上游導(dǎo)墻出現(xiàn)水平位移和垂直位移;未見翻砂冒水、滲水管涌、振動液化等不良跡象。震損情況分析:(1)太平驛、映秀灣和漁子溪3座工程震損情況較嚴(yán)重,但基本上都經(jīng)受住了超抗震設(shè)計烈度的強震考驗。太平驛工程雖一度出現(xiàn)漫頂現(xiàn)象,但在緊急搶修下,很快恢復(fù)泄流,經(jīng)現(xiàn)場檢查,漫頂對閘壩沒有造成危害性沖刷。本次地震中閘壩工程均未出現(xiàn)潰壩,表明建在覆蓋層上的閘壩具有良好的抗震性能。(2)除映秀灣工程因副壩為土石壩沉降較大外,各工程的主體結(jié)構(gòu)均較好,部分工程震損表現(xiàn)為閘墩處裂縫,壩頂附屬建筑物震損較重。(3)分析表明,震損情況與地震影響程度和距震中距離有很大關(guān)系,這3座震損較嚴(yán)重的閘壩工程均距主震震中10~20km,且處于地震Ⅺ度影響區(qū)。(4)岷江上的閘壩工程兩岸大都山高坡陡,震損主要來自自然邊坡崩塌、滑坡和飛石等地震地質(zhì)災(zāi)害,以及洪水漫頂?shù)纫鸬乃痛紊鸀?zāi)害。6壩體結(jié)構(gòu)及壩體施工縫非均勻變形主要表現(xiàn)為根據(jù)汶川地震災(zāi)區(qū)水電工程震損情況的調(diào)查結(jié)果,結(jié)合對國內(nèi)外強震地區(qū)高壩建設(shè)的分析,可以得到幾點初步結(jié)論:(1)混凝土壩中,沙牌拱壩壩肩及抗力體穩(wěn)定,大壩結(jié)構(gòu)完好,壩基未發(fā)現(xiàn)明顯滲漏。壩體右側(cè)橫縫上部有張開跡象,左壩肩下游淺表塌滑,壩頂附屬建筑物震損較重。寶珠寺重力壩兩岸壩肩穩(wěn)定,上下游壩面沒有發(fā)現(xiàn)裂縫、剝落和隆起等震損現(xiàn)象,壩體結(jié)構(gòu)完好,僅見壩體橫縫出現(xiàn)張開或擠壓、欄桿破損現(xiàn)象,地震后壩基滲漏量有所增大。兩座高混凝土壩震損輕微,震損特征表現(xiàn)為壩體橫縫的局部張開或擠壓,但基本上在設(shè)計允許的變形范圍內(nèi)。(2)高土石壩中,壩肩、壩基和壩坡整體穩(wěn)定。紫坪鋪壩頂結(jié)構(gòu)、堆石體與混凝土結(jié)構(gòu)連接部位出現(xiàn)擠壓、張開和不均勻沉降現(xiàn)象,混凝土面板接縫出現(xiàn)擠壓破壞、面板下脫空以及施工縫的剪切破壞等震損現(xiàn)象,下游壩坡護坡塊石出現(xiàn)松動、隆起現(xiàn)象。碧口壩在堆石體與岸坡的結(jié)合部位出現(xiàn)非均勻變形,壩頂防浪墻結(jié)構(gòu)存在擠壓現(xiàn)象,壩體堆石沉陷。兩座高土石壩工程總體震損輕微,震損特征主要表現(xiàn)為堆石體的沉陷和局部開裂,但均未超過設(shè)計允許值。混凝土面板的震損特征還表現(xiàn)為混凝土面板接縫的擠壓破壞、施工縫的剪切破壞和面板下的脫空等,但不影響蓄水功能。(3)映秀灣閘壩堆石體與岸坡連接部位非均勻變形明顯,其他閘壩工程沒有明顯的變形。太平驛、漁子溪等閘壩因飛石、滾石、崩塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害影響,壩肩受到掩埋或砸毀,泄洪閘分流墩因飛石、滾石作用引起開裂。太平